牛奶中几乎含有机体所有的必需氨基酸（EAA），消化吸收率高达98%，具有很高的营养价值。乳蛋白由乳腺细胞分泌，合成途径为：血液中免疫球蛋白和血清白蛋白直接转运到乳腺上皮细胞合成乳蛋白，主要成分为抗体，占总蛋白的5%~10%；饲粮被食入瘤胃后，含氮物质在微生物的作用下合成微生物蛋白（MCP），过瘤胃蛋白（UDP）和MCP一起进入后胃肠道中被降解为氨基酸（AA），经血液运输至乳腺，用于合成乳蛋白，占总蛋白的90%~95%，如酪蛋白、α-乳清蛋白和β-乳球蛋白等。乳蛋白的合成及含量的变化受众多因素的影响，内分泌系统合成关键基因在调控乳腺发育、维持泌乳过程、调节乳成分中发挥着重要作用[1]。关于瘤胃微生物与乳脂合成调控之间的研究逐渐增多。但目前对瘤胃微生物与乳蛋白合成之间相关性的报道较少。因此，文章就激素、信号通路、关键基因、瘤胃微生物及其发酵产物对奶牛乳蛋白合成的影响进行综述，为提高乳蛋白率、改善奶牛生产性能提供参考。1激素对乳蛋白合成的影响奶牛乳蛋白的分泌主要受下丘脑-垂体轴调控，在各种激素和生长因子的作用和刺激下产生乳蛋白。激素作为信息传递物质，可作用于氨基酸的转运能力来调控乳腺对氨基酸的吸收和利用。催乳素（PRL）在乳蛋白的合成过程中起主导作用，在妊娠期，PRL和黄体酮（PROG）能够促进乳腺细胞的增殖分化，通过激活蛋白激酶B(Akt1）和信号传导及转录激活因子5(STAT5）等信号传导通路，调控乳蛋白的合成，增加乳蛋白的合成量[2]。在泌乳期，PRL可以刺激乳腺上皮细胞吸收氨基酸，并通过磷脂酰肌醇3-激酶3-激酶/蛋白激酶Ｂ（PI3K/PKB）途径磷酸化作用调控乳蛋白翻译，促进乳腺上皮细胞中酪蛋白基因的表达，提高乳蛋白含量[3]。瘦素（LEP）的作用发挥依赖PRL的协同作用，在PRL存在的条件下，LEP能够促进酪蛋白基因的表达[4]。生长激素（GH）是维持泌乳的主要激素，GH通过胰岛素样生长因子1-胰岛素样生长因子1受体-丝裂原活化蛋白激酶（IGF1-IGF1R-MAPK）信号级联调节mRNA的翻译来增加乳蛋白含量，同时GH可以促进催乳素受体（PRLR）、β-酪蛋白（CSN2）和α-乳白蛋白（LALBA）基因的表达，间接促进乳蛋白的合成量。对泌乳初期的奶牛注射GH，乳蛋白率显著提高，产奶量增加36%[5]。当RPL存在时，GH能够显著增加乳蛋白合成量[6]，刺激肝脏合成胰岛素样生长因子1（IGF-1）[7]，IGF-1的含量与泌乳量呈正相关，能够提高β-酪蛋白的表达[8]。胰岛素（INS）是乳蛋白基因表达所必需的激素，能够促进乳腺摄取AA，也可刺激乳蛋白的合成[9]。泌乳早期灌注INS可以增加乳蛋白总量和酪蛋白含量，与GH同时作用效果更好，在PRL存在的条件下，INS可以促进乳蛋白相关基因的表达[10]。在其他泌乳激素的协同作用下，氢化可的松（HYD）对于乳蛋白基因的表达必不可少[11]。在注射雌激素（estrogen）后，PRLR表达量下降，导致奶牛奶产量下降[12]；注射雌二醇（E2）可以降低奶牛的产奶量，提高乳白蛋分泌能力[13]。因此，乳蛋白的合成与体内多种激素密切相关，激素能够单独调控乳腺功能，协同调控乳蛋白的合成。2信号通路对乳蛋白的调控在分子水平，乳蛋白合成相关通路的激活调控是乳蛋白基因起始转录和翻译的必要条件。Janus激酶-信号传导及转录激活因子（JAK/STAT）信号通路在转录水平调控乳蛋白基因表达，Janus激酶-信号主要受PRL、GH等激素激活调控，是乳蛋白合成过程中主要信号通路[14]。当受到细胞因子、非免疫介质等刺激后，受体上的JAK空间结构发生变化，随之被激活，激活后的JAK会使STAT上的酪氨酸残基与SH2结构域发生磷酸化，STATs和细胞内信号分子的结合，调节其转录[15]。PRL可以激活JAK2，使JAK2磷酸化成STAT5，调控体内多种乳蛋白基因转录，提高乳蛋白的含量。当GH与生长素受体（GHR）结合，由GHR介导将信号转入细胞内，活化JAK等酪氨酸激酶参与二聚作用，并激活下游通路促进泌乳，GH通过STAT5影响αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白及β-酪蛋白等乳蛋白基因的表达[16]。史琳琳[17]研究表明，STAT5基因被干扰后，JAK/STAT5信号途径受到抑制，β-酪蛋白mRNA水平下调。哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mTOR）信号通路从乳蛋白翻译水平发挥调控作用，受胰岛素、IGF-1等激活调控，在mTOR上游信号通路中，磷脂酰醇3激酶（PI3K）作为mTOR上游的重要的信号分子，受到刺激后，mTOR信号通路被激活，作用于下游一系列信号分子并使其磷酸化，调节乳蛋白的合成[18]。在下游通路中，mTOR被激活，使真核细胞翻译起始因子结合蛋白-1（4EBP1）和核糖体蛋白S6激酶（S6K）磷酸化，促进蛋白质翻译及表达。研究表明，mTOR信号通路可以协调乳蛋白合成的翻译过程[19]，GH可以通过此通路改变酪蛋白mRNA的翻译过程，增加乳中酪蛋白的合成量[20]。INS作用于mTOR信号通路后，可以通过4EBP1加快mRNA翻译的速度，协调乳蛋白合成量与合成速度[10]。3泌乳相关基因对乳蛋白合成的影响乳蛋白的合成是泌乳相关基因、营养和饲养管理三者共同作用的结果。基因方面的研究主要集中在奶牛乳腺组织中泌乳相关基因的研究鉴定，解析基因表达与乳蛋白合成的联系。研究表明，STAT5A和STAT5B是乳蛋白合成的重要调控基因[21]，均在催乳素基因与乳蛋白基因间的信号传导过程中发挥重要作用。STAT5可以与糖皮质激素及STAT5的受体结合的复合物作用，介导乳腺的酪蛋白基因表达，糖皮质激素受体（GR）与STAT5的交互作用可以加强STAT1与STAT5的转录激活作用，促进乳蛋白合成的相关基因的表达。PIN1基因参与蛋白质分解代谢过程的负调控及mTOR信号通路，调控乳蛋白合成过程，该基因SNP位点7与乳蛋白量、乳蛋白率均呈显著相关[22]。但PIN1过表达会导致β-酪蛋白通路中多个关键蛋白的下调[23]。MEN1基因可以负向调控JAK/STAT5等信号通路，调节乳蛋白的合成，此外MEN1基因还能够参与PRL及INS介导的乳蛋白合成过程[24]。乳汁中几种主要酪蛋白、乳球蛋白和乳清蛋白的合成与乳蛋白基因关联，酪蛋白家族基因是调控乳汁中酪蛋白合成的一类重要基因。研究发现，有13种CSN1S1基因的可变剪接体可能与乳中酪蛋白合成量存在一定相关性[25]，CSN2基因A1A1型与牛乳蛋白含量有关[26]。Mobuchon等[27]报道了7个可编码不同酪蛋白激酶的miRNAs，其中miR-204-5p潜在的靶基因是ELF5，ELF5对乳蛋白基因表达至关重要，可以为提高乳蛋白产量和改善乳品质提供新的研究方向[28]。LAT1基因能够协助乳腺上皮细胞从血液中摄取氨基酸并用于乳蛋白的合成，过表达后LAT1蛋白表达量明显升高，β-酪蛋白的表达量相对升高，且PRL可以诱导奶牛乳腺上皮细胞中LAT1的表达及乳蛋白的合成[29]。PRL基因第3外显子第103位氨基酸密码子A-G突变产生多态性，水牛与奶牛的这种差异可能是水牛产奶量低、乳脂和乳蛋白含量高的原因之一[30]。通过基因层面在乳蛋白合成过程中的研究表明，GPIHBP1、LTF及ACSL1基因与奶牛的生产性能有关，是乳蛋白合成的功能基因[31-33]，且SERPINA1基因在基因组水平上对乳蛋白性状具有显著的遗传效应[34]。上述研究结果有望为进一步在基因层面研究促进乳蛋白合成提供新思路。STAT5、LAT1、miR家族为乳蛋白合成正向调控关键基因。但是，有关这些泌乳相关基因在乳蛋白合成过程中作用机制的研究并不完全透彻，更多有关合成乳蛋白的关键基因尚待挖掘。4瘤胃微生物及其发酵产物对乳蛋白合成的影响瘤胃微生物在乳蛋白前体物的形成中发挥关键作用。在挥发性脂肪酸（VFA）产量较高的奶牛中，瘤胃微生物群的丰度较低，饲粮中的蛋白质可以被瘤胃微生物自身合成的酶进行降解，如普雷沃氏菌和溶纤维丁酸弧菌等是常见的蛋白降解菌。瘤胃微生物可以高表达在COG0542、COG1404、COG0612、COG2755、COG4870、COG1506等通路，进而增强瘤胃内蛋白质的降解速率及氨基酸的代谢作用，调节乳蛋白前体物的合成，瘤胃中Trigonopsis和Prevotella ruminicola相对丰度的差异对乳蛋白含量具有一定的调节作用[35]。乳蛋白产量高的奶牛瘤胃液中拟杆菌门和软毛菌门的相对丰度显著高于乳蛋白产量低的牦牛，厚壁菌门的相对丰度显著低于乳蛋白产量低的奶牛[36]。乳蛋白产量高的奶牛Sharpea属的丰度是乳蛋白产量低奶牛的2.28倍[37]。围产前期奶牛瘤胃细菌中，存在较多蛋白质降解菌的琥珀酸弧菌科相对丰度低于泌乳时期，推测琥珀酸弧菌科与泌乳期乳蛋白合成呈正相关[38]。梭状芽孢杆菌与乳蛋白含量呈负相关，表明该类群的丰度对乳蛋白率和乳蛋白产量有负影响[39]。研究发现，乳蛋白含量与脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、普氏弧菌属（Prevotella_1）和丁酸弧菌属（Butyrivibrio_2）的相对丰度呈正相关[40]。乳蛋白合成的前体物质很大一部分来自瘤胃发酵产物，乙酸盐和丙酸盐是瘤胃微生物发酵的主要产物，其含量和比例是影响乳蛋白合成的主要因素，乙酸盐可以通过AMP激活的激酶信号通路影响蛋白质合成[41]。乳蛋白产量高的奶牛瘤胃氨氮、总挥发性脂肪酸、乙酸、丙酸和异丁酸浓度高于乳蛋白产量低的奶牛[36]，且在高乳蛋白组Sharpea属与丙酸和戊酸浓度呈正相关[37]。乙酸作为影响乳蛋白合成的关键底物，可以上调β-casein的基因与蛋白表达水平及CSN3基因的相对表达量[42]，也可上调FABP3、LPL、FASN、AGPAT6、ACACA、PPARG和SREBP1等泌乳相关基因及PPARG和SREBP1蛋白的表达[43]。乙酸和BHBA可以作为信号分子调节下丘脑的分泌功能，影响与泌乳相关激素的释放，进而影响乳蛋白的合成。王新朋[44]研究表明，乙酸调控乳蛋白的合成可能通过调节AA动静脉差及乳腺对AA的摄取间接地影响乳蛋白的合成。EAA和葡萄糖均能够刺激乳蛋白合成，且补充乳蛋白合成前体物氨基酸，可以增加细胞对氨基酸的摄取，促进蛋白质的合成[45]，周苗苗等[46]研究得出，Thr/Phe为1∶1时，促进αs1-酪蛋白基因表达和乳蛋白合成的效果最佳。0.6 mmol/L L-Met可以有效提高CSN2 mRNA表达[47]。真胃灌注10种不含苯丙氨酸的EAAs时，乳蛋白产量降低[48]。奶牛饲粮中缬氨酸（Val）的减少会降低乳蛋白产量和组分[49]，说明Phe和Val是奶牛饲粮中影响乳蛋白合成的重要成分。葡萄糖输注可以增加NEAA用于乳蛋白合成的循环利用率，减少EAA用于合成NEAA，从而减少乳腺内AA分解代谢，增加乳蛋白的合成效率，且葡萄糖和酪蛋白的联合灌注可以进一步提高乳蛋白产量。5展望乳蛋白由饲粮中营养物质在奶牛机体中经过一系列复杂生物学转化形成，与机体激素、基因调控和瘤胃微生物之间存在密切关系。国内外在牛奶乳蛋白的分泌机制方面及其影响方面已取得一些进展，但研究结果仍较为局限。因此，利用现代生物信息学分析，从转录水平、翻译水平整体系统的研究合成乳蛋白的关键基因及调控信号网络-泌乳相关激素-瘤胃微生物及发酵产物的影响及其调控机理，全面的揭示奶牛乳蛋白合成的详细机制具有重要的意义。